ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 11, с. 1123-1128
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.3'296:536.2:537.31
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭКВИАТОМНОГО СПЛАВА CuZr
© 2015 г. В. А. Быков*, **, Т. В. Куликова*, Д. А. Ягодин*, В. В. Филиппов*, **, К. Ю. Шуняев*, **
*Институт металлургии УрО РАН, 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 **Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19
e-mail: wildrobert@gmail.com Поступила в редакцию 13.03.2015 г.; в окончательном варианте — 02.04.2015 г.
Методами дифференциальной сканирующей калориметрии, лазерной вспышки, дилатометрии и вращающегося магнитного поля впервые исследованы теплофизические и электрические свойства эквиатомного сплава Cu50Zr50 в закаленном и отожженном состояниях от комнатной температуры до 1100 K. По результатам измерений теплоемкости, температуропроводности и плотности рассчитан коэффициент теплопроводности. Определены последовательность и температуры структурных превращений в закаленном сплаве Cu50Zr50 при его нагреве. Проведена оценка электронной составляющей теплопроводности с помощью закона Видемана—Франца—Лоренца. Установлено, что данный закон хорошо выполняется для закаленного образца выше 600 K, а для отожженного образца начиная c 900 K. С понижением температуры наблюдается рост решеточного вклада, что свидетельствуют о заметном влияние сильного химического взаимодействия между медью и цирконием на процесс тепло- и электро переноса.
Ключевые слова: сплав CuZr, теплопроводность, теплоемкость, тепловое расширение температуропроводность, электропроводность.
DOI: 10.7868/S0015323015110030
ВВЕДЕНИЕ
Исследование объемоаморфных металлических сплавов является одним из наиболее обширных и бурно развивающихся направлений современного материаловедения. Среди множества таких сплавов особое место занимают системы на основе Cu—Zr. На сегодняшний день система Cu—Zr является одной из самых интенсивно изучаемых среди бинарных металлических сплавов [1]. Указанная система обладает уникальной стеклообразующей способностью: это одна из немногих бинарных металлических систем, для которой удается получить объе-моаморфные образцы, также она служит основой при получении современных неферромагнитных объемноаморфных материалов, обладающих рекордными линейными размерами. В аморфном состоянии эти сплавы демонстрируют отличную коррозионную стойкость и высокую прочность на разрыв, что делает их весьма привлекательными объектами для коммерческого использования [2].
Наряду с попытками подобрать оптимальный стеклообразующий состав (которые продолжаются до сих пор), в последнее время все больше исследователей пытаются связать стеклообразующую способность сплавов на основе Cu—Zr с особенностями различных физико-химических свойств. Так, в работах [3—7] показано, что ряд теплофизических
характеристик — плотность, вязкость и термическое расширение — могут быть надежными индикаторами стеклообразующей способности для медь-циркониевых сплавов. В частности, в [3] установлено, что экстремумы на концентрационной зависимости коэффициента термического расширения для расплавов бинарной системы Си—Zr соответствуют областям формирования массивных аморфных сплавов.
Данные об исследование теплофизических свойств (теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, плотности, и др.) Cu—Zr сплавов в широком интервале температур в литературе отсутствуют. Например, теплопроводность этих сплавов исследована только в кристаллическом состоянии для малых концентрация циркония в меди [8] и для некоторых составов аморфных лент [9]. Плотность в системе Cu—Zr измерена только при комнатной температуре для интерметаллидов CuZr2, CuZr, ^^г^ ^¡^Г, [10-12].
В данной работе в качестве объекта исследований был выбран сплав Cu5oZr5o, который служит основой для получения трех- и более компонентных объемоаморфных материалов. Исследования теплофизических и электрических свойств сплава
Cu50Zr50 могут оказаться полезными для выяснения их связи с стеклообразующей способностью.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Образцы эквиатомного состава Cu5oZr5o для исследований были синтезированы путем индукционной плавки в атмосфере очищенного гелия. В качестве исходных компонент были использованы иодидный цирконий (99.86 мас. %) и медь марки М01 (99.9 мас. %). Измерения свойств проводили как на закаленных, полученных после индукционной плавки, так и на отожженных образцах. Закаленные образцы получали путем разлива расплава в холодной тигель. Отжиг закаленных образцов в твердом состоянии проводили при температуре 1100 K в течение 3 ч в инертной атмосфере с последующим медленным охлаждением со скоростью 3 K/мин.
Измерения температуропроводности а и теплоемкости Cp выполнены методом лазерной вспышки на автоматизированном приборе LFA 457 фирмы NETZSCH. Измерения проводили в вакууме с остаточным давлением не более 0.1 мПа. Образец, установленный на специальный держатель, помещался в карбид-кремневую электропечь. Нагрев нижней поверхности образца производили лазерным импульсом длительностью 0.5 мс. Изменение температуры верхней поверхности образца регистрировали InSb ИК-детектором. Выдержка на каждой температуре составляла 20 мин, число измерений на каждой температуре — пять. Теплоемкость Cp была определена по стандартной методике сравнения с эталонным образцом (калиброванный эталон NIST SRM 864 - Inconel 600) [13].
Термический анализ проведен на приборе синхронного термического анализа STA 409 Luxx NETZSCH для образцов массой 30-70 мг. Измерения проводили в тиглях из Al2O3 при нагреве со скоростью 10 K/мин и продувке аргоном высокой чистоты (99.998%) со скоростью потока газа 70 мл/мин. Перед началом измерений внут-рипечной объем подвергали трехкратному вакуу-мированию.
Тепловое расширение AL/Lo(T) исследовали на дилатометре DIL 402C NETZSCH с использованием высокочувствительного датчика-преобразователя линейного перемещения. Эксперименты проводили с постоянной скоростью нагрева 3 K/мин в атмосфере высокочистого гелия. Температурная зависимость плотности d(T) была найдена из уравнения
d(T) =
dn
1 + 3а Т
где d0 — плотность при комнатной температуре (определена геометрическим методом), а — коэффициент линейного расширения.
Используя данные по плотности d, теплоемкости Ср и температуропроводности а, был рассчитан коэффициент теплопроводности
X = adCp.
(2)
Средняя погрешность измерений в диапазоне температур 300—1100 К составила 3.5% для температуропроводности, 7% для теплоемкости, 0.8% для теплового расширения, 1.5% для плотности и 5% для удельного электросопротивления. Погрешность определения теплопроводности составила 8%.
Для исследования температурных зависимо -стей удельного электросопротивления использовали метод вращающегося магнитного поля, реализованный на оригинальной установке. Угол поворота образца ф во вращающемся магнитном поле зависит от его электросопротивления, размеров, величины и частоты поля и коэффициента упругости нити [14]. В относительном варианте удельное электросопротивление р вычисляли по формуле
Фо
Р = Р о — Ф
х1 V
V10 ) V0 )
5/3
(3)
где I — сила тока в катушке статора, создающего вращательное магнитное поле, и V — объем образца. Нижний индекс "ноль" относятся к эталонному образцу (вольфрам).
Рентгенофазовый (РФА) и рентгеноструктур-ный (РСА) анализы сплава Си5с^г50 выполнены при комнатной температуре на дифрактометре 8Ытаё-хи XRD-7000 (СиХа-излучение, графитовый моно-хроматор, диапазон 25°—100° по 20, шаг — 0.04°, экспозиция — 3 с).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты РФА и РСА закаленного и отожженного образцов Си5с^г50 представлены на рис. 1 и в таблице. Рентгенофазовый анализ показал, что структура закаленного сплава Си5с^г50 соответствует смеси двух моноклинных фаз, обладающих симметрией Р 21/т и Ст. Структура отожженного образца соответствует стабильным фазам на диаграмме состояния: С^г2 и Си1с^г7 [15].
Температурные зависимости плотности d, температуропроводности а и удельного электросопротивления р сплава Си5с^г50, полученные при нагреве от комнатной температуры до 1100 К, приведены на рис. 2—4. На температурных зависимостях вышеуказанных свойств для закаленного образца наблюдается три скачка при температурах Т1 = 530 К, Т2 = 813 К и Т3 = 1000 К, а для отожженного только один при Т3. Причем, выше Т2 плотность, температуропроводность и электро-
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1125
сопротивление закаленного и отожженного образцов совпадают.
Температуры начала термических эффектов на ДСК кривых для закаленного и отожженного образцов (рис. 5) хорошо согласуются с температурами скачков на зависимостях d(T), а(Т) и р(Т).
Аналогичный результат получен в работе [16], в которой на температурной зависимости магнитной восприимчивости закаленного сплава Си50/г50 также обнаружены три скачка при тех же температурах. Авторы данной работы связывают данные эффекты со следующими превращениями: Т1 — превращение мартенсита в аустенит (структура В 2 Си/г), Т2 — распад метастабильной фазы Си/г о Си10/г7 + Си/г2 и Т3 — эвтектоидная реакция Си10/г7 + Си/г2 Си/г.
Таким образом, механизм структурных изменений в сплаве Си50/г50 существенно зависит от скорости охлаждения. При быстром охлаждении образца распад аустенитной фазы Си/г на две, подавлен. Дальнейшее охлаждение приводит к возрастанию термодинамической неустойчивости аустенита и при температурах 420—430 К [16] он переходит в мартенсит, состоящий из двух моноклинных фаз с симметрией Р2х/ш и Сш. Данный результат согласуется с литературными данными [17], согласно которым в закаленном образце Си50/г50, полученным методами дугового или индукционного нагрева, могут образовываться две мартенситные фазы указанной симметрии. При низких скоростях охлаждения фаза Си/г полностью распадается на фазы Си10/г7 + Си/г2 согласно диаграмме состояния.
Температурная зависимость коэффициента теплопроводности, рассчитанного по уравнению (2), представлена на рис. 6. Ход кривой Х(Т) повторяет ход зависимости а(Т). Сплав Си50/г50 имеет ни
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.